Dipl.-Ing. Rainer Elschenbroich, Böblingen
[Juli 1996]
Die Wirkung elektrischer und magnetischer Felder sowie elektromagnetischer Wellen im Niedrigdosisbereich wird in den letzten Jahren verstärkt diskutiert. Dieser Beitrag soll den aktuellen Stand der Forschungen darstellen, ferner einen Einblick in Meßtechnik und Grenzwerte geben und einige Anhaltspunkte für die in der Praxis vorkommenden Feldstärken vermitteln.
1. Einleitung
2. Untersuchungsmethoden der Wissenschaft
3. Grundsätzliches
4. Das niederfrequente magnetische Wechselfeld
5. Das niederfrequente elektrische Wechselfeld
6. Das hochfrequente elektromagnetische Feld
7. Das elektrostatische Feld
8. Das magnetostatische Feld
9. Das natürliche elektromagnetische Wechselfeld
10. Zusammenfassung
11. Literatur
Bei der sehr kontrovers geführten Diskussion um gesundheitliche Auswirkungen von elektromagnetischen Feldern und Wellen besteht oft die Neigung, dies von vornherein als unsinnig abzutun. Mit dieser Einstellung disqualifiziert man sich jedoch als kompetenter Gesprächspartner, da eine biologische Wirksamkeit selbst schwacher Felder inzwischen kaum noch abgestritten werden kann.
Es sollte also angestrebt werden, die Thematik differenziert und so objektiv wie möglich zu betrachten. Dazu ist es ratsam, sich mit dem Gesamtkomplex der biologischen Wirkungen elektrischer und magnetischer Felder zu befassen und sich nicht auf einzelne Aspekte zu beschränken. Wir werden uns deshalb in diesem Beitrag sowohl mit hochfrequenten elektromagnetischen Wellen als auch intensiv mit niederfrequenten elektrischen und magnetischen Wechselfeldern, Gleichfeldern und dem natürlichen elektromagnetischen Umfeld des Menschen befassen. Um den gegebenen Rahmen nicht zu sprengen, ist es gleichwohl notwendig, sich auf die wesentlichen Aspekte zu beschränken.
Zunächst soll kurz beschrieben werden, wie sich die Wissenschaft mit diesem Thema auseinandersetzt [Katalyse 1995].
Es gibt folgende Möglichkeiten :
In epidemiologischen Studien wird nach dem Zusammenhang zwischen einer Kranken- oder Todesstatistik und einer belastenden Größe gesucht. Es erfolgt eine Aufteilung in mehrere Belastungskategorien sowie eine unbelastete Kontrollgruppe.
Hierbei treten meist folgende Probleme auf :
Hier werden Versuchspersonen exakt meßbaren äußeren Feldern ausgesetzt und Auswirkungen auf physiologische und psychologische Vorgänge ermittelt (z.B. Herz- und Pulsfrequenz, EEG, EKG, Veränderungen in Blut, Urin oder Hormonhaushalt, Gefühle und Wahrnehmungen etc.). Vorteilhaft ist hier eine einfache Wiederholbarkeit sowie eine leichte Kontrollierbarkeit von weiteren Faktoren. Problematisch ist die Begrenzung der Versuchsbandbreite aus ethischen Gründen sowie die Unmöglichkeit von Langzeitversuchen mit praxisnaher, aber kleiner Feldbelastung.
Hier werden Versuchstiere in Gruppen exakt meßbaren äußeren Feldern ausgesetzt. Es werden gut kontrollierte Versuchsbedingungen angestrebt (Ernährung, Beleuchtung, Temperatur etc.). Vorteilhaft gegenüber Menschenversuchen ist hier, daß auch andere Parameter wie z.B. Tumorentwicklungen beobachtet werden können. Studien von synergetischen Effekten sind möglich (z.B. Kombinationswirkung von Feldern und Chemikalien) und auch längerfristige Versuche sind hier kein Problem mehr. Nach wie vor besteht jedoch das ethische Problem (Wie groß ist der Erkenntnisgewinn für den Menschen bezogen auf das den Tieren zugefügte Leid ?) sowie die nur bedingt mögliche Übertragbarkeit dieser Ergebnisse auf den Menschen.
Hier werden Zellkulturen äußeren Feldern ausgesetzt, wie z.B. Krebszellen, Bakterien oder Hefezellen. Als meßbare Parameter dienen Wachstums- und Stoffwechselprozesse sowie Chromosomenveränderungen. Vorteilhaft ist der geringe finanzielle und experimentelle Aufwand sowie die sehr gut kontrollierbaren Versuchsbedingungen. Von Nachteil ist, daß die Übertragung von Ergebnissen auf den Menschen extem schwierig ist: Die meisten Effekte treten nicht bei isolierten Zellen auf, sondern erst, wenn ganze Körperteile, ganze Organe oder der ganze Mensch einem Feld exponiert sind. Umgekehrt müssen Störungen auf Zellebene nicht unbedingt gesundheitliche Auswirkungen haben, da körpereigene Regelmechanismen diese wieder ausgleichen können.
Das Ergebnis einer Studie wird als Risikofaktor (engl. odds ratio OR) ausgedrückt und besagt, wieviel mal höher das Risiko einer Erkrankung ist bezogen auf die Kontrollgruppe. Die Glaubwürdigkeit einer Studie steigt mit dem OR-Wert.
Das Vertrauensintervall oder Konfidenzintervall KI (engl. CI) gibt den Bereich des Risikofaktors an, der unter Berücksichtigung von Unsicherheiten und Streuungen möglich ist. Meistens wird ein Bereich angegeben, der mit 95-prozentiger Sicherheit alle möglichen Werte des Risikofaktors einschließt. Die Glaubwürdigkeit einer Studie steigt, je kleiner das Konfidenzintervall ist. Eine Studie gilt dann als signifikant, wenn die untere Grenze des Konfidenzintervalls den Wert 1 nicht einschließt.
Beispiel : OR = 2, CI 0.9 - 4.2 besagt, daß der ermittelte Risikofaktor zwar doppelt so groß ist wie der der Kontrollgruppe, das Ergebnis sich aber mit 95-prozentiger Wahrscheinlichkeit irgendwo zwischen 0.9 und 4.2 bewegen kann. Da 0.9 kleiner als 1 ist, ist das Ergebnis nicht statistisch signifikant.
Wenn eine im Versuch herausgearbeitete Hypothese wissenschaftlich anerkannt werden soll, ist dazu ein plausibles Wirkungsmodell erforderlich. Damit sind dann auch Voraussagen über den Ausgang weiterer (abgeänderter) Experimente möglich. Bei mehrfacher Bestätigung eines Wirkungsmodells durch verschiedene Experimente gilt dieses als experimentell abgesichert und wird zur THEORIE. Dabei hat man jedoch mit etlichen Schwierigkeiten zu kämpfen :
Im nachfolgenden Teil wird die Rede sein von einer Unzahl von Studien und Untersuchungen. Es muß dazu grundsätzlich bemerkt werden, daß ein positives Ergebnis einer Studie (d.h. wenn ein Effekt gefunden wurde) ein HINWEIS darauf ist, daß ein solcher Effekt existiert, keinesfalls jedoch ein BEWEIS. In diesem Licht sind alle nachfolgenden Ausführungen zu betrachten. Im Umkehrschluß gilt jedoch auch, daß eine Studie, die keine Anzeichen für einen vermuteten Effekt gefunden hat, in keinster Weise ein Beweis dafür sein kann, daß ein solcher Effekt nicht existiert. Die Nichtexistenz eines Effektes ist grundsätzlich nicht beweisbar, da er unter anderen Randbedingungen immer noch in Erscheinung treten kann.
In diesem Abschnitt geht es primär um solche Felder, die durch unsere Stromversorgung entstehen (50 Hz, 16 2/3 Hz), da diese die größte Rolle in unserem Leben spielen. Hier muß zwischen elektrischen und magnetischen Feldern unterschieden werden.
Magnetfelder entstehen ringförmig um einen stromdurchflossenen Leiter und nehmen mit steigendem Abstand ab. Gemessen wird das magnetische Feld H in der Maßeinheit A/m (Ampere pro Meter); es hat sich jedoch weitgehend durchsetzt, stattdessen die magnetische Induktion B mit der Maßeinheit T (Tesla) zu verwenden. In Luft gilt : 1 A/m = 1.2566 µT.
Für die magnetische Induktion eines stromdurchflossenen geraden Leiters in Luft gilt dann
I mit µo = 1.2566 µH/m,
B = µo · ------- [T] I = Strom in A,
2·¶·r r = Abstand vom Leiter im m
Magnetfelder besitzen folgende Eigenschaften : Sie entstehen ausschließlich durch den Strom (die Spannung spielt keine Rolle), sie verlaufen auf geschlossener Bahn um den stromführenden Leiter herum, besitzen also weder Anfang noch Ende. Die meisten Materialien werden ungehindert durchdrungen. Mann kann Magnetfelder nicht abschirmen, sondern nur mittels magnetisch leitender Materialien (Weicheisen, Mumetall) um den zu schützenden Bereich herumführen.
Sie durchdringen auch den menschlichen Körper ungehindert und erzeugen im Körperinneren mit wachsender Frequenz zunehmend Wirbelströme.
Mehrere durch schwache Magnetfelder ausgelöste Effekte konnten wissenschaftlich inzwischen vielfach bestätigt werden und sind inzwischen weitgehend unumstritten :
Unter dem Einfluß schwacher Magnetfelder verändert sich die Ausschüttung des körpereigenen Hormons Melatonin [z.B. Semm 1980, Wilson et al 1986/1990, Lerchl 1992, Löscher 1993 u.v.a.]. Melatonin wird in der Zirbeldrüse (im Gehirn) produziert und unterliegt starken Tag-/Nacht-Schwankungen. Die Hauptsteuerung der Produktion erfolgt über den Lichtreiz auf der Netzhaut. Sie läßt im Alter stark nach. Noch vor wenigen Jahren maß man der Zirbeldrüse keinerlei Bedeutung bei; inzwischen ist bekannt, daß Melatonin beim menschlichen Biorhythmus, bei der Fortpflanzung, bei Wachstum und Immunsystem eine Funktion erfüllt [z.B. Moore-Ede 1992, Wilson et al 1990]. Melatonin hat die Eigenschaft, stark reaktionsfreudige Moleküle an sich binden zu können und dadurch möglicherweise krebshemmend zu wirken. Direktere Folgen einer gehemmten Melatoninproduktion könnten Schlafstörungen, degenerative Veränderungen (Alzheimer, Parkinson) und psychische Beeinträchtigungen (Depressionen) sein, wobei es sich hier nach wie vor um Verdachtsmomente handelt [NRCP 1995].
Durch magnetische und auch elektrische Felder im haushaltsüblichen Bereich kann der Kalziumstoffwechsel in den Zellen beeinflußt werden [z.B. Bawin/Adey 1976, Blackman 1988,1990]. Dies heißt, daß vermutlich durch die Änderung der Eigenschaften der Zellmembranen die Menge des Kalziumaustritts aus den Zellen verändert wird. Da der Austausch von Kalziumionen ein wichtiges Kommunikationsmittel zwischen dem Zellinnern und seiner Umgebung darstellt, kann dies eine Störung der Zellkommunikation zur Folge haben. Was dies in letzter Konsequenz bedeutet, ist noch weitgehend unklar. Die für die Melatoninbildung notwendigen Enzyme benötigen jedoch Kalzium [Katalyse 1995]; des weiteren ist die Steuerung des Größenwachstums von Zellen sowie die Bildung der Erbsubstanz stark vom Kalziumstoffwechsel abhängig [Goodman 1989].
Umstrittener ist die Aussagekraft verschiedener epidemiologischer Studien, die - meistens in der Nähe von Hochspannungsleitungen - ein erhöhtes Krebsrisiko durch magnetische Felder festgestellt haben wollen, inbesondere für Leukämie und Gehirntumore. Die sich dabei ergebenden Probleme wurden bereits vorher erörtert.
In der Literatur existieren zahlreiche Übersichten über die bisherigen diesbezüglichen Studien [z.B. Savitz 1993, König/Folkerts 1992].
Trotz aller bereits genannten Probleme epidemiologischer Studien ist nicht ganz von der Hand zu weisen, daß die meisten Studien eine Risikofaktorerhöhung erbracht haben, d.h. die Risikofaktoren über 1 liegen (davon etliche statistisch signifikant, d.h. das untere Ende des Konfidenzintervalls liegt über 1), während fast keine Studien existieren, deren ermittelte Risikofaktoren deutlich unter 1 liegen. Diese wären jedoch die Voraussetzung, um das Problem als irrelevant ansehen zu können. Es ist ungeklärt, ob eine solch starke Verschiebung allein mit dem oben geschilderten "Publikations-Bias" zusammenhängen kann.
Im täglichen Leben kompensieren sich die meisten Magnetfelder, was bedeutet, daß der Strom auf einem zweiten Leiter in enger räumlicher Anordnung zum ersten wieder zurückfließt, womit zwei gleich große, aber gegensinnige Magnetfelder entstehen, die sich größtenteils aufheben.
Eine normale Hausinstallation erzeugt aus diesem Grund meist nur sehr geringe magnetische Felder.
Relevante Felder im Niedrigdosisbereich können entstehen durch :
Abb. 1 zeigt einige Wirkungen, Grenzwerte und Expositionsbeispiele im Überblick.
Magnetische Wechselfelder können mit einer entsprechend dimensionierten Spule aufgenommen und gemessen werden. Da die Ausgangsspannung einer Spule bei konstantem Magnetfeld proportional zur Frequenz ist, muß im Meßverstärker ein Integrator vorgesehen werden, der den Frequenzgang entsprechend korrigiert. Gute industriell gefertigte Geräte verfügen zusätzlich noch über schaltbare Bandpässe sowie eine dreidimensionale Meßmöglichkeit mit Hilfe von drei aufeinander senkrecht stehenden Spulen.
Ein für den Laien brauchbarer Feldindikator ist z.B. ein einfacher Telefonverstärker, wie man sie früher benutzt hat, um induktiv ans Telefon anzukoppeln und somit magnetische Felder im NF-Bereich hörbar zu machen. Ein Selbstbau ist auch leicht möglich (Eine Spule aus der Bastelkiste sowie ein halbwegs empfindlicher NF-Verstärker ist ausreichend, um Felder im nT-Bereich hörbar zu machen und ggf. die Quelle zu orten).
Elektrische Wechselfelder entstehen durch eine Wechselspannung zwischen zwei Leitern. Gemessen wird das elektrische Feld E in V/m (Volt pro meter).
Am bekanntesten ist das elektrische Feld eines Kondensators, welches sich wegen seiner Homogenität leicht berechnen läßt :
U mit U = Spannung zwischen den Platten in V,
E = --- [V/m] d = Plattenabstand in m
d
Elektrische Felder besitzen folgende Eigenschaften : Sie entstehen ausschließlich durch die Spannung (der Strom spielt keine Rolle), sie besitzen einen Anfang und ein Ende und sie lassen sich sehr leicht abschirmen. Jeder sich im Feld befindliche Körper beeinflußt das Feld. Daher ist es schwierig, elektrische Felder korrekt zu messen.
Elektrische Felder dringen nicht in den menschlichen Körper ein. Mit wachsender Frequenz werden zunehmend Verschiebungsströme erzeugt (kapazitive Kopplung an die Feldquelle).
Die bei den magnetischen Wechselfeldern bereits genannten Effekte (Beeinflussung der Melatoninsynthese und der Zellkommunikation) konnten auch bei den elektrischen Wechselfeldern gefunden werden [z.B. Blackman 1988/1990, Wilson et al 1990, Bawin/Adey 1976].
Die elektrischen Feldstärken entsprachen dabei ungefähr denen, bei welchen die im Körper erzeugten Verschiebungsströme den durch ein äquivalentes Magnetfeld erzeugten Wirbelströmen entspricht und befinden sich damit durchaus in haushaltsüblichen Bereichen.
Da elektrische Felder leicht abzuschirmen sind und auch kaum von außen in Häuser eindringen, waren sie bislang eher ein Stiefkind der Forschungen.
Es hängt sehr stark von der Art der Leitungsführung einer Elektroinstallation ab, wie stark elektrische Felder sind. Da diese Leitungen immer unter Spannung stehen, sind auch die elektrischen Felder stets vorhanden.
Generell kann gesagt werden :
Hinweis : Im Elektrofachhandel sind neben abgeschirmten Leitungen auch sogenannte Feldschaltautomaten erhältlich ("Netzfreischalter"). Diese werden im Sicherungskasten montiert und testen mit einer kleinen Gleichspannung, ob sich ein Verbraucher im Stromkreis befindet. Erst wenn ein Verbraucher eingeschaltet wird, wird Netzspannung auf den Stromkreis gegeben. Nach dem Abschalten des Verbrauchers wird die Netzspannung wieder vom Stromkreis getrennt. Dadurch wird die Feldexposition auf die Zeitdauer einer Gerätebenutzung beschränkt. Vor allem im Schlafbereich bei Neubauten finden Feldschaltautomaten eine immer häufigere Anwendung.
Abb. 2 zeigt einige Wirkungen, Grenzwerte und Expositionsbeispiele im Überblick.
Die Messung elektrischer Felder ist nicht einfach, da jede Messung eine Verzerrung des Feldes verursacht. Es existieren prinzipiell zwei Meßverfahren, wobei bei beiden wie bei der Magnetfeldmessung eine Frequenzgangkorrektur erforderlich ist.
Hier wird der Kurzschlußstrom ermittelt, der zwischen zwei sich im Feld befindlichen Kondensatorplatten fließt. Dieser ist proportional zur Feldstärke. Bei einer dreidimensionalen Messung werden drei Kondensatoren - für jede Achse einer - verwendet. Da jegliche Zuleitung eine starke Verfälschung des Meßergebnisses durch Feldverzerrung bedeutet, erfolgt eine Meßwertübertragung in der Regel mittels Glasfaser. Die Messung erfolgt zumeist im ungestörten Feld (keine Personen in der Meßumgebung anwesend).
Bei dieser Messung ist die Meßsonde geerdet; es wird in Kauf genommen, daß sich dadurch Feldverzerrungen gegenüber dem ungestörten Feld einstellen können. Gedanklicher Hintergrund hierbei ist, daß eine sich im Feld befindliche Person zumeist auch mehr oder weniger gut geerdet ist (und sei es rein kapazitiv) und dadurch den gleichen Effekt hervorrufen kann. Die Erdung des Meßgeräts bewirkt somit eine "worst-case"-Messung; d.h. es wird die maximale Feldstärke gemessen, die sich bei Einbringung eines geerdeten Körpers in das Feld ergibt. Die eigentliche Messung besteht wiederum aus der Bestimmung des Kurzschlußstroms zwischen einer Feldplatte und der Erde, welcher proportional zur Feldstärke ist.
Diese Art der Messung ist relativ unkritisch und wird auch im kommerziellen Bereich eingesetzt (z.B. MPR-II-Norm für strahlungsarme Monitore).
Mit Hilfe eines NF-Verstärkers, der durch einen einfachen FET-Vorverstärker erweitert wird, kann man sich durch Anschließen einer kleinen Teleskopantenne auch hier einen einfachen Feldindikator bauen, der Feldstärken im V/m-Bereich akustisch erfassen kann.
Es gibt auch eine simple Meßmöglichkeit, um eine ungefähre Idee von der vorherrschenden Größenordnung des elektrischen Feldes zu bekommen : Man mißt die Spannung des menschlichen Körpers gegen Erde mit einem handelsüblichen Digitalvoltmeter mit 10 MOhm Eingangswiderstand (Wechselspannungsbereich). Es kann davon ausgegangen werden, daß der Eingangswiderstand des Meßgeräts relativ niederohmig ist gegenüber den kapazitiven Kopplungswiderständen zur Umgebung. Somit ergibt sich näherungsweise eine Strommessung, wobei bei f=50 Hz und durchschnittlichen Körperproportionen die Faustformel gilt : 1 V Körperspannung (an 10 MOhm) entspricht ca. 50 V/m mittlere Feldstärke auf den geerdeten Körper [Maes 1995]. Dies ist jedoch nur ein grober Erfahrungswert zur Ermittlung der ungefähren Größenordnung eines Feldes! Lokale Spitzenwerte werden damit nicht erfaßt, sondern gehen lediglich anteilig in den Mittelwert ein.
Im hochfrequenten Bereich kann man elektrisches und magnetisches Feld nicht mehr ohne weiteres trennen, da beide zumindest im Fernfeld über den Freiraumwellenwiderstand Z0 fest miteinander verknüpft sind; hier gilt Z0 = E/H = 120•¶ Ohm = 377 Ohm. Im Nahfeld, welches bis zum Abstand Wellenlänge/(2•¶) von der Antenne reicht, hängt es von der Art der Antenne ab, ob das elektrische oder das magnetische Feld dominiert. Wie stark die einzelnen Komponenten sind, ist jedoch nur sehr schwierig zu errechnen.
Zur Benennung der Feldintensität wird neben der elektrischen und magnetischen Feldstärke gerne die Leistungsflußdichte S verwendet.
Im Fernfeld gilt :
P · G mit P = Sendeleistung im Watt,
S = E · H = ------- [W/m²] G = relativer Gewinn gegen-
4·¶·r² über isotropem Strahler,
r = Abstand zur Antenne
Im menschlichen Körper entstehen auch hier Wirbelströme, welche das elektrisch leitfähige Körpergewebe erwärmen und das Eindringen des Feldes behindern (Skin-Effekt). Die sogenannte Eindringtiefe ist dann der Wert, bei dem das Feld auf 1/e = 37 % abgefallen ist. Bei einer Frequenz von 1 GHz beträgt sie je nach Art des Körpergewebes zwischen 1.8 cm (Muskeln) und 18 cm (Knochen) [Käs 1995].
Bei den biologischen Wirkungen elektromagnetischer Wellen muß zwischen thermischen und athermischen Wirkungen unterschieden werden.
Bei den thermischen Wirkungen wird die Strahlungsenergie vom Körper absorbiert und in Wärme umgewandelt. Die heutige Grenzwertgebung beruht ausschließlich darauf, daß im Körper keine thermisch bedingten Schädigungen auftreten sollen.
Die absorbierte Energie wird als SAR-Wert (Specific Absorption Rate) bezeichnet und ist stark frequenzabhängig. Somit ergeben sich für die Grenzwerte ebenfalls stark frequenzabhängige Kurven [DIN VDE 0848, Teil 1, 1993; Teil 2, 1991].
Man unterscheidet zwischen der Ganzkörperbelastung, bei der der ganze Körper einer HF-Strahlung ausgesetzt ist, und der Teilkörperbelastung, bei der nur ein Körperteil (z.B. der Kopf) einer erhöhten HF-Strahlung ausgesetzt ist.
Bei der Ganzkörperbelastung wirkt der komplette Körper als Antenne; somit ist mit einer maximalen Absorption im Bereich 50 bis 200 MHz zu rechnen.
Bei der Teilkörperbelastung z.B. des Kopfes muß mit einem Absorptionsmaximum im Bereich 300 bis 2000 MHz gerechnet werden.
Besonders betroffen sind Organe mit niedriger Wärmeleitfähigkeit und schlechter Durchblutung (z.B. Augenlinse) sowie temperatursensible Organe (z.B. Hoden).
Die Auswirkungen thermischer Effekte sind in der Wissenschaft unstrittig und reichen von einer erhöhten Krebswahrscheinlichkeit bis zu starken Mißbildungen bei der Nachkommenschaft im Tierversuch. Bekannt sind ferner Störungen von Stoffwechsel, Drüsenfunktionen, Blut-/Immun- und Nervensystem, Grauer Star, Unfruchtbarkeit bis hin zu inneren Verbrennungen und Herzinfarkt bei extrem hohen Feldstärken.
Auch der sogenannte "Mikrowellen-Höreffekt", bei dem Mikrowellenimpulse als Klicken, Zischen oder Summen von sensiblen Personen wahrgenommen werden können, beruht auf minimalen thermoelastischen Druckwellen im Kopf.
Athermische Wirkungen sind Effekte, die unterhalb der thermischen Wirkungsschwelle auftreten. Ihre Existenz ist inzwischen weitgehend wissenschaftlich anerkannt. Strittig ist nur noch, ob diese zu gesundheitlichen Auswirkungen führen können, da körpereigene Regel- und Kontrollmechanismen dem entgegen wirken können.
Interessant ist, daß die meisten athermischen Effekte nur auftreten, wenn das HF-Signal periodisch amplitudenmoduliert oder gepulst ist. Bei unmodulierten oder zufallsabhängig AM-modulierten Signalen (Sprache) sind die Effekte meistens nicht nachweisbar.
Dies ist ein Indiz dafür, daß das HF-Signal am nichtlinearen Körpergewebe demoduliert wird und es sich eigentlich letzten Endes um niederfrequente Effekte handelt, die dabei in Erscheinung treten [Neitzke et al 1994]. Andere athermische Effekte treten wiederum nur bei Dauerbelastungen auf.
Dazu kommt, daß Wirkungen oft nur innerhalb schmaler Amplituden- und Frequenzfenster auftreten, was eine Reproduzierbarkeit von Versuchen oft stark erschwert.
Beispielhaft seien folgende Effekte genannt :
Es gibt noch eine Vielzahl von anderen nachgewiesenen Einzeleffekten teils sehr spezieller Natur, die jedoch nicht in ein einheitliches Modell passen.
Die Effekte sind daher teilweise sehr strittig und eine abschließende Bewertung ist praktisch nicht möglich.
Zur Vermeidung unnötiger thermischer Belastungen - vor allem im Bereich der Augen - muß empfohlen werden, zu Sendeantennen (vor allem bei Handsprechfunkgeräten und Mobilfunk-Handies, die kopfnah betrieben werden) einen entsprechenden Mindestabstand einzuhalten, der den im Entwurf der DIN 0848 von 1991 genannten Werten entspricht [SSK 1992].
Dies gilt auch für Mikrowellenherde, bei denen ein längeres Hineinschauen aus unmittelbarer Nähe während Betrieb vermieden werden sollte. Vor allem bei älteren Geräten sind durch Undichtigkeiten im Bereich der Tür Strahlungswerte möglich, die deutlich über den thermischen Grenzwerten liegen.
Athermische Wirkungen - wobei ihre gesundheitliche Relevanz ungeklärt ist - könnten z.B. auftreten bei D-Netz- und E-Netz-Handies und Mobilfunkgeräten, deren Aussendungen mit 217 Hz gepulst sind. Bei anderen Funkdiensten, wie z.B. CB- und Amateurfunk, Betriebsfunk, Polizei- und Feuerwehrfunk usw. dürften athermische Wirkungen zu vernachlässigen sein, da hier keine periodisch gepulsten oder periodisch amplitudenmodulierten Aussendungen verwendet werden und es sich in der Regel um reine Kurzzeitbelastungen handelt.
Zur Vermeidung thermischer Schädigungen empfiehlt sich jedoch in jedem Falle die Einhaltung von Schutzabständen nach DIN VDE 0848, Teil 2, 1991.
Bei kritischer Einschätzung athermischer Wirkungen empfiehlt sich, die Schutzabstände zu verdreifachen; dies ergibt eine Verringerung der Leistungsflußdichte um fast Faktor 10 und liegt damit weitgehend im unkritischen Bereich.
Abb. 3 zeigt einige Wirkungen, Grenzwerte und Expositionsbeispiele im Überblick. Wenn nicht anders zitiert, beziehen sich die deutschen Grenzwerte auf den Entwurf der DIN VDE 0848 Teil 2 von 1991.
Eine genaue Feldstärkemessung bei elektromagnetischen Wellen bedarf in der Regel kalibrierter Meßantennen und Spektrum-Analysatoren und ist damit recht aufwendig und teuer.
Es gibt am Markt aber auch preiswerte Meßantennen (kurze Dipole) mit einem Gleichspannungsausgang für ein Multimeter, die dann eingesetzt werden können, wenn die Frequenz bekannt ist und keine allzu großen Anforderungen an die Genauigkeit gestellt werden.
Elektrostatische Felder entstehen durch statische Aufladungen. Um diese zu erzeugen, muß eine Ladungstrennung stattfinden. Dies erfolgt zumeist durch Reibung zweier verschiedener, schlecht leitender Materialien. Begünstigt wird der Vorgang durch trockene Luft. Bei Gewittern reiben turbulente Luftschichten aneinander und verursachen dadurch eine Ladungstrennung.
Durch die Aufladung der Ionosphäre existiert auch in der Natur ein schwaches elektrostatisches Feld. Dieses sogenannte "Schönwetterfeld" schwankt je nach Jahreszeit zwischen ca. 130 V/m (Sommer) und 270 V/m (Winter). Bei Gewittern herrschen Felder vor bis zu 20000 V/m. Felder in Wohnräumen durch elektrostatische Aufladungen können die gleiche Größenordnung erreichen.
Hier gibt es eine Vielzahl von Untersuchungen, am besten nachzulesen in [König 1986]. Eine große Zahl davon befaßt sich mit der Beeinflussung des Zellwachstums. Es gibt sogar ein Patent für die Fischzucht, nach welchem unter dem Einfluß elektrostatischer Felder ein beschleunigtes Fischwachstum hervorgerufen wird [Varga 1995].
Eine unmittelbare Folge von elektrostatischen Feldern ist die Beeinflussung des Kleinionenanteils in der Luft. Durch die Strahlung der Sonne werden Moleküle ionisiert; es entstehen u.a. Kleinionen. Dies sind zumeist Ionen mit Anteilen von Sauerstoff oder Stickstoff. Über dem Ozean liegen typische Konzentrationen bei ca. 600 Ionen/cm3; in sauberer Land- oder Bergluft erreicht die Konzentration Werte zwischen 2000 und 20000 Ionen/cm3 [Katalyse 1995].
Dieselben Konzentrationen liegen normalerweise auch in Innenräumen vor; bei Vorhandensein stark elektrostatisch aufgeladener Flächen (synthetische Teppichböden und Gardinen, lackierte Möbeloberflächen etc.) kann die Konzentration jedoch auf weniger als 50 Ionen/cm3 absinken. In verrauchten Räumen mißt man sogar weniger als 5 Ionen/cm3 [Maes 1995]. Es existieren in der Literatur zahlreiche Hinweise darauf, daß bei fehlenden Kleinionen - vor allem solchen mit negativer Ladung - die Anfälligkeit gegenüber Infektions- und Erkältungskrankheiten erhöht ist [Fischer 1988] sowie negative Einflüsse auf die körperliche und geistige Leistungsfähigkeit und Reaktionszeit existieren [König 1986, Kössler 1984].
Es wird über günstige therapeutische Wirkungen von Kleinionen bei Atemwegserkrankungen, rheumatischen Erkrankungen sowie Herz- und Kreislaufstörungen berichtet [König 1981, Varga 1972]. Der hautsächliche Wirkungsmechanismus scheint in der Stimulation der Lungenfunktion durch negativ geladene Ionen zu liegen [Fischer 1988].
Bei kritischer Einschätzung der Sachlage empfiehlt es sich, den Gebrauch von synthetischen Stoffen im Wohnbereich zu vermeiden und bei Möbeln sowie größeren Boden-/Wandflächen aus Holz geölten und gewachsten Oberflächen vor herkömmlichen Versiegelungen und Lacken vorzuziehen.
Vom Einsatz von Luftionisatoren ist in der Regel abzuraten, da die Ionenkonzentration hier zumeist dem Zufall überlassen bleibt und als Nebenprodukt oft das schädliche Ozon erzeugt wird.
Das bekannteste magnetostatische Feld ist das Erdmagnetfeld. Künstliche magnetostatische Felder werden z.B. noch in der Kernspintomographie verwendet. Des weiteren entstehen sie im Nahbereich von Straßenbahnen und oft auch am Arbeitsplatz (Lichtbogen- und Plasmaschmelzöfen, Aluminiumelektrolyse etc.). Die nachfolgende Abhandlung soll sich jedoch auf das Erdmagnetfeld beschränken. In unseren Breiten besitzt es eine Intensität von ca. 45 µT. Durch den Einfluß des Sonnenwindes gibt es eine natürliche Tag-/NachtSchwankung um ca. +/- 0.02 µT. Geomagnetische Stürme verursachen noch größere Schwankungen bis zu +/- 2 µT [Neitzke et al 1994].
Es ist schon seit längerer Zeit nachgewiesen, daß sich Tiere wie z.B. Zugvögel anhand des Erdmagnetfeldes orientieren. Auch im Gehirn des Menschen konnten bereits wie bei Brieftauben und Zugvögeln ferromagnetische Stoffe nachgewiesen werden. Darüber hinaus scheint das Erdmagnetfeld in Zusammenhang mit dem natürlichen elektromagnetischen Wechselfeld der Erde eine bedeutende Rolle bei der Ausbildung des Tag-/Nacht-Rhythmus (zirkadianer Rhythmus) des Menschen zu spielen.
Verschiedene Studien haben gezeigt, daß eine Abschirmung des Erdmagnetfeldes und des natürlichen Wechselfeldes eine Rhythmusänderung von 24 Stunden auf zumeist 25 bis 26 Stunden bewirkt [Presman 1970, Wever 1974]. Dies kann ein Hinweis darauf sein, daß der zirkadiane Rhythmus sich selbst auf die minimalen Tag-/Nachtschwankungen des Erdmagnetfeldes synchronisieren kann.
Interessant in diesem Zusammenhang ist noch eine Studie aus den 60er Jahren, in der ein statistisch hochsignifikanter Zusammenhang zwischen dem Auftreten von Magnetstürmen und den Einlieferungszahlen in psychiatrische Anstalten nachgewiesen werden konnte [Friedman/Becker/Bachman 1963].
Bedingt durch die Ausrichtung des Magnetfeldes wurde auch schon eine Beeinflussung der REM-Latenzzeit - das ist die Zeit zwischen dem Einschlafen und dem Höhepunkt der ersten Traumphase - in Abhängigkeit von der Schlafrichtung festgestellt [Ruhenstroth-Bauer 1987]. Ein möglicher Erklärungsansatz für diesen Effekt sind Lorentz-Kräfte, die im Zusammenspiel von Erdmagnetfeld und elektrischem Feld einer Zelle entstehen und dadurch eine Rotationsbewegung von gelösten Ionen bzw. der Zellflüssigkeit verursachen.
Es gibt eine Reihe von Faktoren, die das Erdmagnetfeld signifikant beeinflussen können; dazu gehören vor allem im Schlafbereich Federkernmatratzen, deren Enden oft geschweißt sind und dadurch stark magnetisch sein können. Auch größere Metallgegenstände wie Heizkörper, Öltanks, Stahltüren etc. verursachen u.U. erhebliche Erdmagnetfeldverzerrungen in ihrer Umgebung. Mit einem Kompaß läßt sich dies in der Regel leicht nachweisen.
Die weltweite Gewittertätigkeit erzeugt ständig elektromagnetische Wellen, welche sich rund um die Erde ausbreiten. Diese nennt man Atmospherics oder kurz "Sferics". Diese haben eine maximale Intensität bei Frequenzen bis zu einigen hundert Hertz und ein weiteres Maximum im Bereich um 10 kHz. Der Raum zwischen der Erde und der Ionosphäre kann als Hohlraumresonator betrachtet werden; es ergeben sich eine Reihe von Resonanzen, z.B. bei 7.8 Hz. Diese sogenannten "Schumannresonanzen" erzeugen - wiederum angeregt durch die weltweite Gewittertätigkeit - eine Reihe von Feldstärkemaxima zwischen 7.8 und 35 Hz, die sogenannten Schumannwellen [König 1986].
Es wird seit längerer Zeit vermutet, daß dieses natürliche elektromagnetische Umfeld direkt mit dem menschlichen Wohlbefinden verknüpft ist und vor allem die bekannte Wetterfühligkeit damit zusammenhängt.
Mehrere Studien geben hier einige interessante Hinweise :
Eine Vielzahl weiterer Untersuchungen und Erkenntnisse zu diesem Thema ist in [König 1986] nachzulesen.
Dieser Beitrag versucht einen Überblick über den Stand der Forschung bezüglich biologischer Wirkungen von schwachen elektrischen, magnetischen und elektromagnetischen Feldern zu geben.
Die Hinweise auf solche Wirkungen sind vielfältig. Sie sind weitgehend zweifelsfrei nachgewiesen bei niederfrequenten Feldern, jedoch bezüglich ihrer gesundheitlichen Relevanz noch umstritten. Dies gilt vor allem für athermische Effekte hochfrequenter Felder. Problematisch scheinen hier vor allem periodisch gepulste oder periodisch amplitudenmodulierte Felder zu sein.
Zur weiteren Klärung der zahlreichen offenen Fragen besteht jedoch noch ein sehr großer Forschungsbedarf auf diesem Gebiet.
Das nachfolgende Literaturverzeichnis ist lediglich ein winzig kleiner Ausschnitt aus der verfügbaren Literatur; die genannten Aufsätze können deshalb größtenteils nur als exemplarische Beispiele dienen. Ausführliche Literaturverzeichnisse sind z.B. enthalten in [Katalyse 1995, Neitzke et al 1994, König 1986]. Diese drei Bücher seien dem interessierten Leser auch zum Studium empfohlen.
Bawin / Adey : Sensitivity of calcium binding in cerebral tissue to weak electric fields oscillating at low frequency; Proc. Nat. Acad. Sci. USA, Vol. 73 : S. 1999-2003 (1976)
Bernhardt / Matthes (1992) in: [SSK 1992]
BEW Schriftenreihe Studie Nr. 56: Gesundheitliche Auswirkungen des KW-Senders Schwarzenburg / Schweiz; Institut für Sozial- und Präventivmedizin der Universität Bern (1995)
Blackman et al: Influence of electromagnetic fields on the efflux of calcium ions from brain tissue in vitro: A three-model analysis consistent with the frequency response up to 510 Hz; Bioelectromagnetics 9: S. 215 (1988)
Blackman: Importance of alignment between local DC magnetic field in responses of brain tissue in vitro and in vivo; Bioelectromagnetics 11 (2): S. 159-167 (1990)
DIN VDE 0848, Entwürfe Teil 1,2,4: Sicherheit in elektromagnetischen Feldern; Teil 1 (1993); Teil 2 (1991); Teil 4 (1995)
Elschenbroich: Magnetfeldreduzierung bei Niederspannungsfreileitungen; Wohnung & Gesundheit 78: S. 30-32 (1996)
Fischer: Biotrope Effekte durch luftelektrische Faktoren in umbauten Räumen; Öff. Gesundheitswesen 50: S. 260-264 (1988)
Frey (1988) in: Marino: Modern Bioelectricity ; Marcel Dekker Inc, New York 1988, S. 785 ff
Friedman / Becker / Bachman: in Nature 200: S. 626 (1963)
Goodman 1989: Nach: Boikat: Biologische Wirkung elektromagnetischer niederfrequenter Strahlung; Hearing Elektrosmog, Die Grünen im Landtag Niedersachsen (1993)
Käs: Elektromagnetische Verträglichkeit biologischer Systeme; in : Biologische Wirkungen elektromagnetischer Felder und Wellen, Lehrgang an der Technischen Akademie Esslingen (1995)
Katalyse e.V.: Elektrosmog. Gesundheitsrisiken, Grenzwerte, Verbraucherschutz; Verlag C.F. Müller GmbH Heidelberg, 3. Auflage (1995)
von Klitzing: Athermische biologische Effekte durch gepulste elektromagnetische Felder;
Hearing Elektrosmog, Umweltministerium Niedersachsen (1993)
König: Biologic Effects of Environmental Electromagnetism; Springer Verlag New-York (1981)
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